Laser UV giúp tối ưu quá trình khắc xử lý vật liệu bằng phương pháp xung laser cực ngắn (Ultrashort-pulse)

Những phát hiện của các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng các năng lượng xung UV (đo bằng picosecond) ở tần số trên 10 J / cm2 có thể loại bỏ nhiều vật liệu hơn so với khi ở mức năng lượng thấp.

Bằng cách sử dụng các xung laser cực ngắn, một nhóm các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore (LLNL; Livermore, CA) đã tìm ra một cơ chế hiệu quả cho việc xử lý vật liệu bằng laser trong công nghiệp ít tốn kém hơn cho người dùng.

Phương pháp này sử dụng các xung laser có bước sóng ngắn, mật độ năng lượng cao (năng lượng trên một đơn vị diện tích) để điều khiển sóng xung kích làm tan chảy vật liệu. Sau khi sóng xung kích đi qua, lớp tan chảy được đặt dưới sức căng trong suốt quá trình gây ra tan rã, cuối cùng sự xâm thực này dẫn đến phun trào vật liệu.

Các nhà nghiên cứu đã kết hợp giữa nghiên cứu và mô phỏng nâng cao trên máy tính về một loạt các năng lượng và bước sóng laser để mài mòn nhôm, inox và silicon bằng xung laser cực ngắn. Họ đã phát hiện ra rằng các xung picosecond của tia cực tím (UV) ở các tần số trên 10 J / cm2 có thể loại bỏ nhiều vật liệu hơn

"Chúng tôi đã phát hiện ra rằng phạm vi này trên 10 J/cm, đặc biệt đối với các xung laser UV, có hoạt động rất khác so với tần số thấp hơn và bước sóng dài hơn", Jeff Bude, phó giám đốc khoa học của NIF & Photon Science tại LLNL nhận xét.

"Tốc độ mài mòn khi vượt quá 10 J/cm và đặc biệt là đối với ánh sáng tia cực tím," Bude giải thích. "Đồng thời, quá trình mài mòn này sẽ đi kèm với sự gia tăng về hiệu quả loại bỏ - thay đổi lượng năng lượng là cần thiết để loại bỏ một khối lượng vật liệu nhất định."

Các nhà nghiên cứu đã so sánh kết quả từ các bước sóng laser 355nm (UV) và 1064nm (cận hồng ngoại) trong phạm vi lưu lượng từ 0,1 đến 40 J / cm2 và thấy rằng các bước sóng ngắn hơn giúp tăng cường loại bỏ cao hơn so với cường độ bước sóng ở 1064nm. Kết quả này đều thể hiện giống nhau ở cả 3 vật liệu nhôm, inox và silicon.

Các mô phỏng sử dụng mã bức xạ động lực học chất lưu HYDRA cho thấy sự gia tăng hiệu quả bóc/mài mòn là do các xung laser UV thâm nhập sâu hơn vào chùm sáng và gửi lại năng lượng tiếp xúc gần bề mặt vật liệu hơn, dẫn đến áp suất cao đột ngột giúp xâm lấn sâu hơn và nhiều hơn.

 

Laser UV bước sóng ngắn

Một mô hình minh họa được sử dụng trong các nghiên cứu bóc/mài mòn bằng xung laser picosecond: Mô hình này được phát triển trong mã bức xạ động lực học chất lưu HYDRA; hình minh họa 1D của mô hình dọc theo trục trung tâm của chùm tia laser được sử dụng để nghiên cứu phản ứng tách vật liệu với các hiệu ứng hình học 3D.

Bude nói rằng: "Cơ chế loại bỏ sốc nhiệt tạo ra sự tan chảy và sau đó loại bỏ nó bằng cách tạo bọt, ít tiêu tốn năng lượng hơn là hóa hơi vật liệu", Bude nói. "Đó là lời giải thích cho lý do tại sao nó hiệu quả hơn."

"Đây là một vấn đề đặc biệt khó khăn để mô hình hóa vì quá trình chuyển đổi năng lượng laser được kết hợp chặt chẽ với phản ứng động lực học chất lưu, đòi hỏi khả năng tích hợp một mã duy nhất như HYDRA", nhà phân tích của LLNL - Wes Keller

Ngay sau khi nghiên cứu bắt đầu, các nhà nghiên cứu nhận ra rằng phản ứng của vật liệu đối với laser picosecond phức tạp hơn nhiều so với việc sử dụng laser femtosecond đã phổ biến trước đây.

"Khi bạn đang cố gắng hiểu quá trình laser picosecond, một số giả định đơn giản hóa vật lý mà bạn có được với các xung rất ngắn (femtosecond) không còn đáng tin cậy nữa", Bude nói. Ông còn cho biết thêm, thay vì chỉ đơn giản là hấp thụ năng lượng laser và hóa hơi, vật liệu đang có sự chuyển động bởi nó đang biến đổi trong chùm tia laser", ông nói. Điều này có nghĩa là các mô hình phải được điều chỉnh để tính toán cho cả bức xạ động lực học chất lưu của vật liệu nóng chảy và sự tương tác giữa xung laser và plasma (khí ion hóa) trong chùm sáng mài mòn.

Ứng dụng laser UV trong cắt PCB mainboard

Máy khắc laser uv Nam Sơn cắt/ khắc PCB

Để mô hình hóa tương tác laser-plasma chính xác, nhóm nghiên cứu đã phải thực hiện nhiều thí nghiệm khắc phục một số bất cập trong mô hình, Bude giải thích. Bằng cách xác định yếu tố vật lý không thể thiếu, họ đã phát hiện ra rằng sốc nhiệt là cần thiết để tạo ra sự tan chảy sâu ở mức độ micron. Cuối cùng họ nhận định đây là quá trình xâm thực.

Một khi các nhà nghiên cứu nhận ra rằng, các xung có hình dạng tạm thời hoặc theo thời gian gây sự không ổn định khi nóng chảy vật liệu thì họ có thể tạo ra các xung có hình dạng để tăng hiệu quả loại bỏ vật liệu.

Kết quả cũng cho thấy rằng xung laser picosecond cung cấp một số lợi thế so với laser femtosecond hiện đang được sử dụng phổ biến về các khía cạnh như: chi phí, hiệu quả và giảm thiệt hại. Ngoài ra, họ còn cung cấp các tùy chọn để chuyển đổi tần số hiệu quả và linh hoạt bước sóng.

Khắc laser uv trên nhựa

Nguồn dịch: https://www.industrial-lasers.com/cutting/article/16489131/ultrashortpulse-laser-method-could-improve-industrial-laser-processing